基于AR的情境教学设计研究*

摘  要  AR能突破情境教学的各类限制，其更加自然的虚拟情境与交互方式使基于AR的情境教学成为可能。阐述情境教学的内涵与主要特征，建立基于AR的情境教学设计框架，以AR设备zSpace为例，采用该设计框架进行教学设计。该框架为AR技术进入学科教学提供方法上的尝试，为技术促进学习的有效发生探索新的路径。

关键词  AR；情境教学；教学设计；zSpace；中学地理；3D工作室

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0023-05

0  引言

建构主义认为，知识是学习者在一定情境即社会文化背景下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的[1]。其中情境、会话、协作、意义建构是建构主义的四大要素。情境教学是指教师创设以形象为主体、富有感情色彩的具体场景或氛围，激发和吸引学生主动学习，达到最佳教学效果的一种方法。

AR（Augmented Reality，增强现实）技术以其三维、真实、直观的效果可视化教学内容，以虚实结合的情境化场景增强学习沉浸感，以更自然的交互方式提升学生认识和体验，是创设教学情境的有效工具。教师往往受空间、时间的限制，无法为学生创设情境、开展情境教学，而AR技术能有效解决由于各种物理限制产生的情境教学局限。本研究尝试在分析情境教学理论的基础上，探索基于AR的情境教学设计框架和方法，为AR技术在学科教学中的应用提供参考。

1  基于AR的情境教学设计

1.1  情境教学的内涵

情境教学认为学习是个体与情境互动、参与实践的过程，而不只是个人建构的过程，离开具体的情境，学生很难对知识产生准确的理解[2]。改革开放之初，我国儿童教育家李吉林[3]回归小学语文课堂后采用情境教学法解决了教学中讲解空洞单一、作业重复低效、学生一知半解等问题，从此开启了我国对情境教学的研究道路。

情境教学主要有以下三方面的特征：

1）在建构情境时，须根据教学内容进行情境选择，选用多种情境创设途径，整体要给学生带去美的感受，完成形神兼备的模拟；

2）在教学活动设计中以学生活动为中心，重点设计学生的自主学习环节，如动手训练、角色扮演等，以充分激发学习动机；

3）教师在教学中要先入情境，并以丰富饱满的感情带领学生进入情境，塑造轻松和谐的氛围，以激发学生的想象力。

1.2  基于AR的情境教学设计框架

AR技术是VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术的延伸，与VR相比，AR更易开发、更易操作[4]，

是一种更好的寓教于乐的娱教技术[5]。有研究证明，AR具有良好的学科适应性，其支持的协作学习能让学生之间形成积极的情境效应[6]。也有研究证明，基于AR的情境学习可能会促进高水平认知活动的进行[7]。基于情境教学理论和AR技术的优势，提出基于AR的情境教学设计框架，如图1所示。

基于AR的情境教学设计包含教学设计的一般步骤，增添了创设情境这一关键阶段，教师要根据AR软件或AR设备的功能特点以及教学内容分析，选择图画再现等在内的八大方法进行情境创设，再结合学生特点和应用场合分析结果进行学习活动设计。教学实施后，教师的反思能为下一次教学设计提供参考价值，形成良性循环。

1.2.1  设计要素分析

以钟正等[8]人提出的基于VR的学习环境设计要素为参考，设计要素分析阶段包括教学设计的常规分析（如学生特点、教学目标等），还应包括对AR或其他相关设备的持有情况进行分析，对功能服务进行选用，为之后创设情境和设计学习活动提供方法与技术基础。其中，应用场合需要考虑基于AR进行情境教学的外设环境、AR设备与学生的配比、教室布置等；在进行技术要素分析前要先对AR设备自带的教学软件与工具等功能特点有整体、全面的了解，才能实现设备资源利用最大化。

1.2.2  创设情境

开展情境教学的首要任务是创设情境，基于AR的情境创设不仅能创设虚拟、直观的生活情境，还能创设虚拟的非日常情境，如宇宙、沙漠等。情境创设方式多种多样，李吉林归纳总结了情境建构的八大途径[9]。其中，语言描绘不可或缺，图画再现、实物演示相对常用，教师应根据教学内容合理选择多样的创设情境方法，以打造一个调动学生多种感官通道的沉浸情境，助力教学开展，增强学习效果。

1.2.3  学习活动设计

情境教学一般包括情境导入、自主学习/探究、学习反思三大学习活动。根据教学需求，教师可添加巩固旧知、小组汇报、教师总结等环节。情境导入由学生进入创设的情境自然发生。根据AR软件或AR设备的功能服务，自主学习/探究可能有多种开展方式，如“模型演示+小组探究”“互动漫游+自主学习”等，让学生在特定的气氛中积极主动地开展智力活动，在潜移默化中进行学习。

1.2.4  教学反思

反思是教师提升教学水平的重要手段。通过对教学实施效果的反思，总结基于AR的情境教学经验，为下一次教学活动的开展提供经验和参考办法。结合AR设备或软件的学习监控、记录功能，教师能通过获得学生学习报告、课堂观察、学生反馈、小组汇报成果等多种方式了解教学实施效果。

2  基于AR的中学地理情境教学设计案例

本研究以人教版七年级上册地理第一章第二节“地球的运动”为例，选用AR设备zSpace一体机进行教学设计。利用zSpace自带的3D工作室软件设计教学课件，以任务驱动方式推进上课进度，通过模拟创设宇宙情境、为学生提供三维模型及动画，更加直观地反映星体运动过程，支持学生自主探索。

2.1  设计要素分析

2.1.1  学生特点

本节课属于七年级地理的第一单元，大部分学生首次接触地理这个学科，首次认识地球，对地理学科有着强烈的好奇心。学生对枯燥的知识点兴趣不浓，但对知识点对应的实际地理现象非常感兴趣。学生已具有一定的抽象思维能力，但还需要借助一些具体形象事物支持。因此，在课件中需要提供观察和体验的机会，增加学生的具体经验；也需要适当提供反思机会，促进概念的形成。此外，七年级学生也已经具备一定的分析概括能力，在教师给予支持的情况下能够完成自主学习和协作学习，但自控能力还不强，在学习过程中需要教师加强课堂调控。

2.1.2  应用场合

此课件将运用于学校zSpace教室，属于桌面式应用，基于zSpace的特点及数量限制，一般是小组协作学习模式，一个小组（2～3人）分配一台设备。

2.1.3  教学内容及目标

“地球的运动”的教学目标主要从以下三个方面来表述。

1）知识与技能：了解人类认识地球运动的过

程；认识地球自转和公转的特点及其产生的地理现象；理解正午太阳高度变化、昼夜长短、四季形成、五带划分等现象与地球公转的关系。

2）过程与方法：通过zSpace创设的情境与学生的合作探究，学生能够掌握太阳、地球的运动关系，提升分析概括能力。

3）情感、态度与价值观：树立科学的宇宙观，认识到地球是在不断地运动的；提高对宇宙的审美情趣；培养树立辩证唯物主义思想，理解事物之间是联系的、发展变化的。

2.1.4  技术要素

制作此课件，需要使用到zSpace 3D工作室资源库中的太阳和地球模型，软件中带有的文本框、输入框、标签、摄像等工具，以及形成学习报告功能。学生使用硬件设备触控笔操作课件界面，完成学习活动。一般用3D工作室制作的教学课件由两部分组成，分别是屏幕左上角的引导框和其余屏幕主体，如图2所示。引导框可以显示文本、设置输入框、点击进入下一页等，屏幕主体可以放入模型、动画、标签等课程资源。

学生佩戴追踪眼镜点击拍照按钮，则会在眼镜中出现一个类似相机对准的缩略图，如图3所示。学生倾斜头部或是控制触控笔就可以改变画面显示，点击触控笔即可拍照。完成学习后，学生点击保存时，照片和输入的文本会自动保存在学习报告的对应位置。

2.2  创设情境

依据教学内容需要创设的太空环境，本课件通过设置星空宇宙图片为背景，设置The Universe In Me为背景音乐，制作地球公转和自转相关动画，选用精心挑选的地球运动视频等方式，给学生营造出宇宙的广袤无垠与神秘之感，不仅能让学生快速进入学习状态，对地球运动清晰把握，还给学生带去美的体验，激发学生对宇宙的兴趣和探索欲望。

2.3  学习活动设计

“地球的运动”分为两个课时，学习活动设计以第一课时即地球运动的认识过程和地球的自转教学内容为例，共设计巩固旧知、情境导入、自主学习、学习反思四个活动。

2.3.1  巩固旧知

学生根据教师分配两两一组或是三人一组，进入zSpace课件界面。首页中间显示一个地球模型（含经纬线），下方有一排标签，分别为北极、南极、赤道、经线、纬线。屏幕左上角有引导框，显示：

欢迎同学们来到“地球的运动”，上节课我们学习了地球和地球仪，了解了地球是一个球体以及它大小的一组数据，学习了地球仪上的经纬线、地轴等知识。现在快回想一下上节课学习的内容，完成以下练习吧：

1）将地球倾斜至大致正确的方向；

2）拖拽标签使它们标注在地球模型上与标签内容对应的地方。

为你们组的练习结果拍一张照。

2.3.2  情境导入

在学生完成复习题之后，点击屏幕左上角引导框的下一页按钮，屏幕会播放朝夕更替的视频，左上角引导框显示：

我们每一天的生活都从清晨升起的太阳开启，日月交替、日复一日，那昼夜更替的现象是如何产生的呢？太阳为什么每天都东升西落呢？在接下来的两次课时间里，我们将开启“地球的运动”这一章节的学习。

2.3.3  自主学习

学生点击下一页后屏幕开始播放有关人类认识地球运动的过程视频，视频内容包括地心说和日心说，左上角引导框中显示：

人类对地球运动的探索并不是一蹴而就的，从刚刚的视频中，你们获取到了哪些信息呢？请在下方的输入框中简单地写一下你们的看法。

学生讨论形成看法，保存后点击下一页，屏幕出现昼夜分明的地球模型自转动画，左上角引导框中显示：

仔细观察地球的运动，地球目前处于自转的状态，它围绕地轴完成一次自转需要24小时，也就是一昼夜。请在下面的输入框中写下你们观察到的地球自转的方向。

学生输入答案，保存后点击下一页，地球模型停止转动，左上角引导框中显示：

调整地球模型的角度，分别在南极和北极视角的地球模型旁画出地球自转的方向（顺/逆时针）。 为你们组的两个结果拍两张照。

学生拍照保存后点击下一页，地球模型慢速转动，右边出现太阳模型和光照射线，左上角引导框中显示：

我们现在是白天，而远在地球另一端的美国却是黑夜，这种时间的差异也是因为地球的自转。请同学们在地球模型中找到中国和美国，观察两个国家的昼夜状态吧。

2.3.4  学习反思

学生点击下一页后，地球模型保持不变，慢速转动，引导框中显示：

最后，请同学们根据本节课学习的知识，小组讨论、自由探索，用自己的话来解释为什么我们看到的太阳是东升西落的呢？ 请在下面的输入框中输入你们小组的答案。

2.3.5  提交学习报告

学生完成反思题后保存，zSpace会自动生成本节课的学习报告，报告内容包括课件每一页的引导文本，对应有小组的回答与拍照结果。学生需提交学习报告至教师。

3  结束语

基于AR的情境教学是一种结合信息技术的新型教学方式，其在学科教学领域具有重要的应用价值。基于AR的情境教学设计需要根据教学需求对设计要素进行全面考虑，使学生在构建的情境中充分发挥主体作用，增进学习体验，激发学习兴趣和探索欲望。在AR技术沉浸、自然的模拟环境和交互功能下，情境教学拓宽了应用范围，基于AR的情境教学为今后AR技术在学科教学中的推广和应用奠定良好的基础。

随着VR技术的进一步发展，“AR+情境教学”领域或许会向“MR+情境教学”迈进。MR（Mixed Reality，混合现实）技术能综合VR与AR技术的优势，可以避免VR世界的隔绝感，相对AR能创设更具有真实感的虚实结合教学情境。未来结合精密的教室传感设备与多媒体设备，利用MR技术或许能为学生打造教室即情境的情境教学体验。结合5G、学习分析、XR（Extended Reality，拓展现实）等更多智能技术的情境教学将有更逼真的教学情境、更沉浸的学习体验、更科学的教学活动以及更全面的学习评价，使学生实现真正意义上的有效学习。

参考文献

[1] 申克.学习理论：教育的视角[M].韦小满，译.南京：江苏教育出版社，2003.

[2] 胡庆芳，杨翠蓉.有效情境创设的40项设计[M].上海：华东师范大学出版社，2017.

[3] 李吉林.激情萌发智慧：李吉林情境教育论文选[M].北京：教育科学出版社，2016.

[4] Arvanitis T N， Williams D N， Knight J F， et al.A Human Factors Study of Technology Acceptanceof a Prototype Mobile Augmented Reality Systemfor Science Education[J].Advanced Science Letters，2011，4（11-12）：3342-3352.

[5] Arino J J， Juan M C， Gil-Gomez J A， et al. Acomparative study using an autostereoscopic display with augmented and virtual reality[J].Behaviour & information technology，2014，33（4/6）：646-655.

[6] 倪慧文，胡永斌.增强现实技术能促进学习吗？：基于2010—2018年国际英文期刊35项研究的元分析[J].开放教育研究，2019，25（1）：62-72.

[7] Chih-Hsiang H， Neil E B， Liu Gi-Zen. The develop-ment and construction of an AR-guided learningmodel with focused learning theories[J].Journalof computer assisted learning，2021，37（5）：1423-1440.

[8] 钟正，陈卫东.基于VR技术的体验式学习环境设计策略与案例实现[J].中国电化教育，2018（2）：51-58.

[9] 王灿明.情境教育四十年的回顾与前瞻[J].南通大学学报（社会科学版），2020，36（2）：132-140.

*项目来源：教育部人文社会科学研究一般项目“智慧学习环境下基于多模态融合的学习参与度识别机制研究”（项目编号：20YJA880001）；深圳市教育科学2019年度规划课题“深圳市中小学智慧校园建设的理论与实践”（项目编号：zdazz19003）。

作者：谢娜，深圳大学教育学部在读硕士，研究方向为教育信息化（518060）。